캐노피 틸팅 방식 부족 구동 원형 낙하산의 외란관측기 기반 블록 백스테핑 정밀 착지 제어 기법

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis proposes a disturbance observer (DOB)-based block backstepping control mechanism for the precision landing of an underactuated circular parachute employing a canopy-tilting method. A refined nonlinear dynamic model is established, and control inputs are systematically derived by partitioning state variables into blocks and applying a step-by-step backstepping procedure to address the complex nonlinearities of the underactuated system.
The primary contribution of this research lies in its novel utilization of the DOB: beyond conventional real-time disturbance compensation, the estimated disturbance data is analyzed to predict the wind direction and velocity within the flight domain. By integrating these wind predictions into trajectory reconfiguration, this approach ensures stable flight and provides a technical foundation for continuously enhancing the mission performance of subsequent flight operations.
Numerical simulations demonstrate that the proposed controller achieves robust trajectory tracking and high-precision landing even in the presence of external disturbances. Furthermore, the results validate the potential for progressive performance improvement through the analysis of observation data.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 캐노피 틸팅(Canopy Tilting) 방식을 사용하는 부족 구동(Underactuated) 원형 낙하산의 정밀 착지 제어를 위해 외란관측기(DOB) 기반의 블록 백스테핑(Block Backstepping) 제어 기법을 제안하고, 관측 데이터를 활용한 비행 성능 향상 방안을 제시한다.
원형 낙하산 시스템은 구조적 특성상 제어 입력의 수가 자유도보다 적은 부족 구동 시스템이며, 낙하 중 발생하는 불확실한 풍향 및 풍속 등 외부 외란에 매우 취약하다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 캐노피 틸팅 메커니즘을 반영한 정밀 동역학 모델을 정립하고, 상태 변수를 블록 단위로 분할하여 단계적으로 제어 입력을 도출하는 블록 백스테핑 기법을 적용함으로써 복잡한 비선형 제어 문제를 체계적으로 해결하였다.
특히, 본 연구의 핵심적인 차별점은 외란관측기(DOB)를 단순히 실시간 외란 보상에만 활용하는 것이 아니라, 관측된 외란 데이터를 분석하여 비행 영역의 풍향 및 풍속을 예측하는 데 활용한다는 점이다. 이렇게 예측된 바람 정보는 경로 재설정에 반영됨으로써, 단일 비행의 안정성을 넘어 향후 반복되는 차기 비행의 임무 수행 성능을 지속적으로 향상시킬 수 있는 기틀을 제공한다.
수치 시뮬레이션을 통해 제안한 제어 기법의 유효성을 검증한 결과, 설계된 제어기가 외란이 존재하는 환경에서도 목표 경로를 안정적으로 추종하며 최종 목적지에 높은 정밀도로 착지함을 확인하였다. 또한, 외란 관측 데이터를 통한 비행 성능의 단계적 개선 가능성을 입증하였다. 본 연구의 결과는 향후 자율 낙하산 시스템을 활용한 화물 수송 및 무인기 회수 분야에서 시스템의 신뢰성과 효율성을 극대화하는 데 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 문제 정의 1
• 1.2 선행 연구 분석 2
• 1.3 연구 접근 방법 및 주요 기여 5
• 1.4 이론적 배경 6
• 1.4.1 겉보기 질량(Apparent mass) 효과 6
• 1.4.2 부족 구동(Underactuated) 시스템 7
• 1.4.3 블록 백스테핑 제어 8
• 1.5 논문 구성 9
• 제 2 장 캐노피 틸팅 방식 원형 낙하산 모델링 10
• 2.1 낙하산-페이로드 6-DOF 모델 10
• 2.1.1 기구학 방정식 10
• 2.1.2 동역학 방정식 12
• 2.1.3 힘 및 모멘트 모델 13
• 2.1.4 외란 정의 15
• 2.1.5 최종 상태공간 표현 16
• 2.2 캐노피 틸팅 구동 메커니즘 17
• 2.2.1 서스펜션 라인과 틸팅 각도의 관계 18
• 2.2.2 제어 입력과 틸팅 각도의 관계 22
• 2.3 공력 해석 23
• 2.3.1 수치 해석 환경 및 Mesh 검증 23
• 2.3.2 틸팅 각에 따른 공력 계수 특성 25
• 제 3 장 외란 보상형 블록 백스테핑 제어기 설계 26
• 3.1 상태 공간 구성 및 시스템 구조 26
• 3.1.1 전체 상태공간 방정식 26
• 3.1.2 제어 목표 상태 동역학 27
• 3.2 외란 관측기 설계 28
• 3.3 바람 추정 알고리즘 30
• 3.3.1 수평 바람 추정 방법 30
• 3.3.2 반복 추정 기반 수렴 특성 분석 31
• 3.4 외란 보상형 블록 백스테핑 제어 설계 32
• 3.4.1 가상 제어 입력 설계 32
• 3.4.2 제어 입력 설계 33
• 3.4.3 안정성 해석 34
• 제 4 장 시뮬레이션 결과 38
• 4.1 시뮬레이션 환경 및 파라미터 설정 39
• 4.1.1 시뮬레이션 구성 및 구현 환경 39
• 4.1.2 제어 및 초기 파라미터 선정 40
• 4.2 정적 바람 환경에서의 성능 42
• 4.2.1 무외란 환경 42
• 4.2.2 활공비 이하 풍속 환경 43
• 4.2.3 활공비 이상 풍속 환경 45
• 4.3 동적 바람 환경에서의 성능 47
• 4.3.1 실제 풍속 데이터 환경 48
• 4.3.2 완화된 실제 풍속 데이터 환경 51
• 4.4 강인성 검증 54
• 4.4.1 외란 관측기 이득 조정 56
• 4.4.2 강인 및 실제 풍속 데이터 환경 59
• 4.4.3 강인 및 완화된 실제 풍속 데이터 환경 60
• 4.5 투하 지점 추정 및 정밀 착지 성능 검증 61
• 4.5.1 활공비 이상 풍속 환경 62
• 4.5.2 실제 풍속 데이터 환경 64
• 4.5.3 강인 조건에서의 검증 66
• 제 5 장 결과 및 결론 69
• 5.1 결과 69
• 5.2 결론 72
• 5.3 향후 연구 과제 73
• 참고문헌 74
• 부록 79
• 부록 1. Simulink 상세 모델 79
• 부록 2. 추가 시뮬레이션 결과 그림 82
• Abstract 100